松软煤层空气雾化钻进雾化机理及装置研制

摘要

松软煤层瓦斯抽采钻孔施工中，空气钻进因具有钻速快、对孔壁扰动小等优势，成为目前解决松软煤层钻进的有效工艺方法之一，但是在成孔过程中还存在如下问题:(1)孔口煤尘污染严重，危害施工人员健康;(2)空气作为冲洗介质对钻具冷却效果差，存在烧钻、孔内煤粉燃烧安全隐患，以上问题一定程度上制约了松软煤层空气钻进的使用和推广。
　　为降低孔口煤尘污染和冷却钻具，简单地将清水注入到压风中虽然取得了一定的效果，但是进入孔底的水，并不能充分的雾化，导致除尘效率低，效果不理想。实钻中甚至因注入的水量过大，增大了排渣难度，而引发“抱钻”事故。本文在分析国内外空气雾化钻进相关技术研究成果及现场调研的基础上，结合煤层特性，对雾化机理、雾化捕尘及孔内防燃机理进行了研究，分析了影响捕尘及防燃的因素;通过对雾化方式选择、喷雾降尘、雾化装置结构设计与雾化腔设计的研究，研制出了能得到50μm以下微细雾粒的雾化装置。并选用强力钻机、井下防爆空压机、大通孔钻杆及三翼刮刀钻头组成了空气雾化钻进的配套装备。论文利用计算流体动力学软件对雾化装置内喷雾流场进行了数值模拟，分析了喷嘴处于不同位置时的雾化流场，优化了装置。同时还建立了对应大通孔钻杆及三翼刮刀钻头钻具组合的三维模型，模拟了钻孔内气雾两相流场速度、压力分布对离散相雾粒大小、分布规律的影响，得到微细雾粒进入孔底后粒径分布，分析了雾粒在流场流动中的粒径及浓度分布的变化趋势，优化了空气雾化装置使用参数，指导了空气雾化装置现场应用。此外，通过室内试验，对比雾化效果，得到了高效雾化下两套雾化系统分别对应的水压力、水流量等参数，并在淮沪煤电有限公司丁集煤矿1331(1)运顺工作面进行了现场试验，共试验了3个钻孔，经粉尘检测仪现场对孔口周围煤尘浓度检测，除尘效率达到了90％以上。
　　本文通过理论研究和工业性试验研究，说明了应用空气雾化钻进技术，可以有效地降低钻孔孔口煤粉污染，提高孔内钻具冷却效果，促进松软煤层空气钻进技术的应用与推广。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 课题研究的背景、目的和意义

1．1．1 课题研究的背景

1．1．2 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外发展现状

1．2．2 发展趋势

1．3 主要研究内容

1．4 小结

2 松软煤层空气雾化钻进雾化机理

2．1 煤尘特性

2．2 雾化机理

2．3 雾化捕尘及孔内防燃的研究

2．3．1 雾化捕尘研究

2．3．2 孔内防燃研究

2．4 影响捕尘及防燃的因素

2．4．1 雾粒参数的影响

2．4．2 压风的影响

2．5 小结

3 空气雾化装置设计研究

3．1 雾化方式

3．2 喷雾研究

3．3 松软煤层空气雾化钻进装置的设计

3．3．1 雾化装置设计概述

3．3．2 雾化腔体设计计算

3．3．3 高压水泵和气动马达设计计算

3．3．4 其余辅助元件的选择

3．4 雾化腔设计研究

3．4．1 计算流体动力学软件简介

3．4．2 雾化腔内气雾两相流模拟

3．4．3 钻孔内流场模拟

3．5 小结

4 松软煤层空气雾化钻进地面模拟实验

4．1 实验设计

4．2 实验过程及结果分析

4．2．1 实验过程

4．2．2 实验结果分析

4．3 小结

5 松软煤层空气雾化钻进配套装备

5．1 设备配套

5．1．1 钻机的配套

5．1．2 钻具配套

5．1．3 空压机配套

5．1．4 流量计

5．1．5 测尘仪

5．2 小结

6 松软煤层空气雾化钻进现场试验

6．1 应用矿区概况

6．2 应用过程及成果评价

6．2．1 应用过程

6．2．2 除尘效果

6．3 小结

7 结论及展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

附录